東北大學(xué)過(guò)程控制系統(tǒng)課設(shè)

東北大學(xué)過(guò)程控制系統(tǒng)課設(shè)

(總21頁(yè))-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-CompanyOnel-CAL-本頁(yè)僅作為文檔封面，使用請(qǐng)直接刪除爐溫的單閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)作者姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：學(xué)院名稱(chēng)：專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)：東北大學(xué)2016年12月課程設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書(shū)課程設(shè)計(jì)(論文)題目:爐溫的單閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)—基本內(nèi)容:在基本掌握過(guò)程控制常規(guī)控制方案的工作原理及參數(shù)整定步驟的基礎(chǔ)上，針對(duì)一個(gè)電烤箱設(shè)計(jì)爐溫控制系統(tǒng)。課程設(shè)計(jì)(論文)專(zhuān)題部分:題目：電烤箱單回路爐溫控制基本要求：電烤箱控制系統(tǒng)的工作方案設(shè)計(jì)、設(shè)備選型及其連線(xiàn);爐溫控制系統(tǒng)的對(duì)象-傳遞函數(shù)確定；單回路PID爐溫控制的實(shí)現(xiàn)；利用組態(tài)王軟件編制上位機(jī)監(jiān)控軟件；撰寫(xiě)規(guī)范化的說(shuō)明書(shū)一份。學(xué)生接受課程設(shè)計(jì)(論文)題目日期指導(dǎo)教師簽字：2016年1月?tīng)t溫的單閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要爐溫控制系統(tǒng)是工業(yè)控制中比較典型的控制系統(tǒng)，但是溫度系統(tǒng)慣性大、滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，給控制過(guò)程帶來(lái)很大難題。因此，針對(duì)每個(gè)不同的系統(tǒng)需要單獨(dú)研究一種最佳的控制方案，以達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定、調(diào)節(jié)時(shí)間短且超調(diào)量小的性能指標(biāo)。本次課程設(shè)計(jì)是以電烤箱為控制對(duì)象，利用PID控制算法實(shí)現(xiàn)電烤箱的恒溫控制。通過(guò)組態(tài)王軟件編寫(xiě)PID控制程序以及實(shí)際調(diào)節(jié)PID參數(shù)，深刻理解控制系統(tǒng)的構(gòu)建與調(diào)試以及PID各項(xiàng)參數(shù)的意義。本次設(shè)計(jì)是基于組態(tài)王的軟件平臺(tái)進(jìn)行的，借此熟悉組態(tài)軟件的使用。關(guān)鍵詞：電烤箱溫度控制系統(tǒng)，組態(tài)王，PID整定，溫度曲線(xiàn)目錄課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。摘要錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。第一章緒論錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。1.1課題的提出與意義錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。1.2設(shè)計(jì)目的錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。1.3課程設(shè)計(jì)任務(wù)和要求錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。第二章?tīng)t溫控制系統(tǒng)工作原理錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。2.1爐溫控制系統(tǒng)原理圖錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。2.2實(shí)驗(yàn)操作方法與步驟錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。2.2.1連線(xiàn)錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。2.2.2設(shè)置儀表錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。第三章?tīng)t溫控制系統(tǒng)的硬件組成錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。3.1爐溫控制系統(tǒng)錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。3.2智能控制儀表CD901錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。3.2.1智能控制儀表CD901簡(jiǎn)介錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。3.2.2智能控制儀表CD901的規(guī)格型號(hào)說(shuō)明錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。3.2.3CD901工作原理錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。3.3熱電阻pt100錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。3.4固態(tài)繼電器錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。3.4.1固態(tài)繼電器簡(jiǎn)介錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。3.4.2固態(tài)繼電器工作原理錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。3.4.3固態(tài)繼電器特點(diǎn)及用途錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。3.5RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。RS-232錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。RS-485錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。3.6電烤箱錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。第四章人機(jī)界面制作錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。4.1軟件設(shè)計(jì)目標(biāo)錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。4.2人機(jī)界面制作錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。4.2.1建立新工程錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。4.2.2畫(huà)面的制作錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。4.2.3建立數(shù)據(jù)詞典錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。4.2.4建立動(dòng)畫(huà)連接錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。第五章PID控制算法錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。PID控制器的參數(shù)整定錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。一般PID控制算法錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。第六章參數(shù)整定錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。6.1淺談參數(shù)整定錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。PID參數(shù)整定調(diào)試過(guò)程錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。參考文獻(xiàn)錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。心得體會(huì)錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。第一章緒論1.1課題的提出與意義在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，控制對(duì)象各種各樣，溫度是生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中普遍而且重要的物理參數(shù)之一。在生產(chǎn)過(guò)程中，為了高效地進(jìn)行生產(chǎn)，必須對(duì)它的主要參數(shù)，如溫度、壓力、流量等進(jìn)行有效的控制。溫度控制在生產(chǎn)過(guò)程中占有相當(dāng)大的比例，其關(guān)鍵在于測(cè)溫和控溫兩方面。溫度測(cè)量是溫度控制的基礎(chǔ)，技術(shù)已經(jīng)比較成熟。由于控制對(duì)象越來(lái)越復(fù)雜，在溫度控制方面，還存在著許多問(wèn)題。如何更好地提高控制性能，滿(mǎn)足不同系統(tǒng)的控制要求，是目前科學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。溫度控制一般指對(duì)某一特定空間的溫度進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，使其達(dá)到工藝過(guò)程的要求。本文主要研究電烤箱溫度控制的方法。爐溫控制是指根據(jù)爐溫對(duì)給定溫度的偏差，接通或斷開(kāi)供給爐子的熱源能量，或連續(xù)改變熱源能量的大小，使?fàn)t溫穩(wěn)定有給定溫度范圍，以滿(mǎn)足熱處理工藝的需要。應(yīng)用傳統(tǒng)的模擬電路控制方法，由于電路復(fù)雜、器件太多、無(wú)法用精確的數(shù)學(xué)方法來(lái)建立模型并確定參數(shù)，往往很難達(dá)到理想的控制效果。本設(shè)計(jì)采用PID控制。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，PID控制是比例、積分、微分控制的簡(jiǎn)稱(chēng)，PID控制器是工業(yè)過(guò)程控制中最常見(jiàn)的一種過(guò)程控制器。由于PID控制器算法簡(jiǎn)單、效果好，因而被廣泛應(yīng)用于化工、冶金、機(jī)械、熱工和輕工等工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中。目前，PID算法一般是在順序程序結(jié)構(gòu)的微處理器上實(shí)現(xiàn)。由于PID算法有一定的并行性，順序程序結(jié)構(gòu)的微處理器限制了它的速度，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求比較高的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是不太適合的。通過(guò)硬件描述語(yǔ)言VHDL在FPGA上實(shí)現(xiàn)的硬件電路具有強(qiáng)大的并行運(yùn)算能力，可以解決這個(gè)問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)高速的PID控制。本文以電烤箱為研究對(duì)象，研究一種最佳的控制方案，以達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定、調(diào)節(jié)時(shí)間短且超調(diào)量小的性能指標(biāo)。1.2設(shè)計(jì)目的本課程是隸屬于實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。通過(guò)過(guò)程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)這一教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生能在學(xué)完自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及儀表、過(guò)程控制儀表、過(guò)程控制系統(tǒng)等課程以后，能夠靈活運(yùn)用相關(guān)基本知識(shí)和基本理論模擬設(shè)計(jì)一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)，以期培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。1.3課程設(shè)計(jì)任務(wù)和要求在基本掌握過(guò)程控制常規(guī)控制方案的工作原理及參數(shù)整定步驟的基礎(chǔ)上，針對(duì)一個(gè)電烤箱設(shè)計(jì)爐溫控制系統(tǒng)。具體要求：電烤箱控制系統(tǒng)的工作方案設(shè)計(jì)、設(shè)備選型及其連線(xiàn)；爐溫控制系統(tǒng)的對(duì)象-傳遞函數(shù)確定；單回路PID爐溫控制的實(shí)現(xiàn)；利用組態(tài)王軟件編制上位機(jī)監(jiān)控軟件；撰寫(xiě)規(guī)范化的說(shuō)明書(shū)一份。第二章?tīng)t溫控制系統(tǒng)工作原理2.1爐溫控制系統(tǒng)原理圖計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般由控制計(jì)算機(jī)、A/D與D/A接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對(duì)象、檢測(cè)元件和變送器組成。本爐溫控制系統(tǒng)的控制計(jì)算機(jī)采用普通奔騰PC機(jī)，A/D與D/A轉(zhuǎn)換由理化智能控制儀表CD901來(lái)實(shí)現(xiàn)，執(zhí)行功能由可控硅模塊來(lái)完成，檢測(cè)元件為熱電阻Pt100，溫度變送器為XMZ數(shù)字顯示儀。系統(tǒng)原理圖如圖2.1所示圖2.1爐溫控制系統(tǒng)原理圖監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)串行通訊與溫度控制器（單回路控制器）連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、操作和記錄的功能。溫度對(duì)象由烤箱改造而成，增設(shè)風(fēng)扇冷卻裝置，加熱由烤箱原加熱部件實(shí)現(xiàn)。由溫度控制器輸出一路控制信號(hào)連接至固態(tài)繼電器，驅(qū)動(dòng)電烤箱加熱單元；另一路控制信號(hào)連接至風(fēng)扇用于冷卻。設(shè)計(jì)熱電阻檢測(cè)烤箱內(nèi)溫度，檢測(cè)輸入熱電阻信號(hào)連接至溫度控制器反饋端。其原理結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。圖2.2溫度實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖2.2實(shí)驗(yàn)操作方法與步驟2.2.1連線(xiàn)圖2.3面板上的連線(xiàn)原理圖硬手動(dòng)（手動(dòng)給定）連線(xiàn)：硬手動(dòng)時(shí)分別連接至調(diào)壓模塊接線(xiàn)柱③、④；OUT1連線(xiàn)：非硬手動(dòng)時(shí)分別連接至調(diào)壓模塊接線(xiàn)柱③、④；OUT2連線(xiàn)：當(dāng)使用風(fēng)扇制冷時(shí)使用。TC連線(xiàn)：當(dāng)使用檢測(cè)元件作為反饋值時(shí)使用。2.2.2設(shè)置儀表當(dāng)系統(tǒng)給電后，各個(gè)儀表開(kāi)始工作，首先進(jìn)行儀表的設(shè)置工作。（1）硬手動(dòng)控制當(dāng)儀表處于正常顯示時(shí)，將接線(xiàn)柱③、④與手動(dòng)的③、④連接起來(lái)，使控制系統(tǒng)處于手動(dòng)狀態(tài)。然后調(diào)整電位器按鈕，給定一個(gè)電壓值（順時(shí)針增大，逆時(shí)針減?。?，打開(kāi)電烤箱，使之升溫，觀(guān)察各個(gè)儀表的數(shù)值。（2）軟手動(dòng)控制（手動(dòng)控制）控制器選擇手動(dòng)模式時(shí)，將接線(xiàn)柱③、④與控制器OUT1的③、④連接起來(lái)，使控制系統(tǒng)處于軟手動(dòng)-控制器手動(dòng)狀態(tài)。然后調(diào)整控制器輸出值，打開(kāi)電烤箱，使之升溫，觀(guān)察各個(gè)儀表的數(shù)值。(3)自動(dòng)控制控制器選擇手動(dòng)模式時(shí)，將接線(xiàn)柱③、④與控制器OUT1的③、④連接起來(lái)，使控制系統(tǒng)處于軟手動(dòng)-控制器手動(dòng)狀態(tài)。然后調(diào)整好控制器給定值，打開(kāi)電烤箱，將控制器選擇自動(dòng)模式，控制器將自動(dòng)調(diào)整溫度。第三章?tīng)t溫控制系統(tǒng)的硬件組成3.1爐溫控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、電烤箱、智能控制儀表、固態(tài)繼電器、通訊模塊、電壓數(shù)顯表等構(gòu)成，其中智能控制儀表、固態(tài)繼電器、通訊模塊、電壓數(shù)顯表安裝于控制箱上。監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)串行通訊與溫度控制器連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、操作和記錄的功能。溫度對(duì)象由烤箱改造而成，增設(shè)風(fēng)扇冷卻裝置，加熱由烤箱原加熱部件實(shí)現(xiàn)。由溫度控制器輸出一路控制信號(hào)連接至固態(tài)繼電器，驅(qū)動(dòng)電烤箱加熱單元；另一路控制信號(hào)連接至風(fēng)扇用于冷卻。設(shè)計(jì)熱電阻檢測(cè)烤箱內(nèi)溫度，檢測(cè)輸入熱電阻信號(hào)連接至溫度控制器反饋端?？刂葡涿姘宀贾脠D如圖3.1所示。圖3.1控制箱面板布置圖3.2智能控制儀表CD9013.2.1智能控制儀表CD901簡(jiǎn)介RKC溫控器，也叫RKC溫控表，是日本理化株式會(huì)社的核心產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于塑膠、電爐等行業(yè)，是一種工業(yè)溫度控制器，是目前中國(guó)大陸工業(yè)溫控表的主流品牌，其精度高，質(zhì)量可靠耐用等特點(diǎn)贏(yíng)得廣大用戶(hù)的口碑。溫控器的核心控制算法為PID控制，P(Proportional)比例+I(Integral)積分+D(Differential)微分控制。工業(yè)溫度控制器所控制的工業(yè)設(shè)備溫度范圍一般在-199C。--3000C。。加熱機(jī)構(gòu)一般采用繼電器或者固體繼電器的形式來(lái)進(jìn)行，溫控器根據(jù)熱電偶發(fā)回來(lái)的信號(hào)讀取實(shí)際溫度，然后把這個(gè)實(shí)際溫度值跟設(shè)定溫度值進(jìn)行比較，產(chǎn)生溫度偏差，調(diào)節(jié)的方向朝著溫度偏差減少的方向進(jìn)行，然后RKC溫控器輸出一個(gè)模擬量或者開(kāi)關(guān)量驅(qū)動(dòng)繼電器或者可控硅等執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)加熱或者冷卻控制。3.2.2智能控制儀表CD901的規(guī)格型號(hào)說(shuō)明智能控制儀表CD901的面板如下圖3.2所示：圖3.2智能控制儀表CD901的面板表上面各符號(hào)簡(jiǎn)介：PV：輸入值(如：讀入烤箱的溫度值)SV:設(shè)定值(如：手動(dòng)給定或程序給定值)AT:自整定（綠）OUT1:第一控制輸出（加熱側(cè)）OUT2:第二控制輸出（冷卻側(cè)）ALM1:第一報(bào)警端ALM2:第二報(bào)警端SET:設(shè)置各種命令<R/S:位移及運(yùn)行/停止V:下移減小數(shù)字八：上移減大數(shù)字CD901背面接線(xiàn)柱如圖3.3所示：圖3.3CD901背面接線(xiàn)圖CD901的技術(shù)數(shù)據(jù)說(shuō)明：熱電阻：Pt100或JPt100電壓：0?5V,1?5V電流：0?20mA,4?20mA通訊：RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器控制類(lèi)型：4種F:PID動(dòng)作及自動(dòng)演算（逆）D:PID動(dòng)作及自動(dòng)演算（正）W:加熱/冷卻動(dòng)作及自動(dòng)演算（水冷）A:加熱/冷卻動(dòng)作及自動(dòng)演算（風(fēng)冷）設(shè)定數(shù)據(jù)：測(cè)定值（PV）：來(lái)自被控對(duì)象的當(dāng)前值設(shè)定值（SV）：與輸入范圍同樣加熱側(cè)比例帶（P）：1?99999全距0.1?全距冷卻側(cè)比例帶（Pc）：為P的1?1000%積分時(shí)間⑴：1?3600秒微分時(shí)間（D）：1?3600秒加熱側(cè)比例周期（T）：1-100秒冷卻側(cè)比例周期（t）:1~100秒限制積分動(dòng)作生效范圍（ARW）：加熱側(cè)比例帶（P）的1?100%3.2.3CD901工作原理CD901系列儀表可配置數(shù)字通訊接口，其接口為RS485，儀表與上位機(jī)通訊為被動(dòng)方式。采用上位向儀表發(fā)出讀寫(xiě)命令，儀表才會(huì)動(dòng)作，通訊采用ASCII碼的形式。CD901具有PID控制、自動(dòng)演算、自主校正、設(shè)定數(shù)據(jù)幀、加熱/制冷控制、數(shù)字通訊、正動(dòng)作、逆動(dòng)作、溫度報(bào)警（加熱器斷線(xiàn)報(bào)警、控制環(huán)斷線(xiàn)報(bào)警）等功能，可進(jìn)行熱電偶、熱電阻輸入，采樣周期:0.5秒，過(guò)程值偏置：-1999?9999C?；?199.9-999.9^（溫度輸入）±全量程（電壓/電流輸入）。3.3熱電阻pt100本實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)元件為熱電阻pt100。熱電阻最大的特點(diǎn)是工作在中低溫區(qū)，性能穩(wěn)定，測(cè)量精度高。本系統(tǒng)中電爐的溫度被控制在0~300度之間，為了留有余地，我們要將溫度的范圍選在0~400度，它為中低溫區(qū)，所以本系統(tǒng)選用的是熱電阻pt100作為溫度檢測(cè)元件。pt100是以鉑作感溫材料的感溫元件，并由內(nèi)引線(xiàn)和保護(hù)管組成的一種溫度檢測(cè)器，通常還帶有與外部測(cè)量、控制裝置及機(jī)械裝置連接的部件。Pt100實(shí)物圖如圖3.4所示。pt100工作原理：它的阻值會(huì)隨著溫度的變化而改變。PT后的100即表示它在0°C時(shí)阻值為100歐姆，在100C時(shí)它的阻值約為138.5歐姆。它的工業(yè)原理：當(dāng)PT100在0攝氏度的時(shí)候他的阻值為100歐姆，它的的阻值會(huì)隨著溫度上升它的阻值是成勻速增漲的。圖3.4Pt100實(shí)物圖3.4固態(tài)繼電器3.4.1固態(tài)繼電器簡(jiǎn)介交流固態(tài)繼電器是一種無(wú)觸點(diǎn)通斷電子開(kāi)關(guān)，為四端有源器件。其中兩個(gè)端子為輸入控制端，另外兩端為輸出受控端，中間采用光電隔離，作為輸入輸出之間電氣隔離（浮空）。在輸入端加上直流或脈沖信號(hào)，輸出端就能從關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)通狀態(tài)（無(wú)信號(hào)時(shí)呈阻斷狀態(tài)），從而控制較大負(fù)載。整個(gè)器件無(wú)可動(dòng)部件及觸點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于常用的機(jī)械式電磁繼電器一樣的功能。固態(tài)繼電器如圖3.5所示。圖3.5固態(tài)繼電器3.4.2固態(tài)繼電器工作原理固態(tài)繼電器工作原理基本上是相似的。主要由輸入（控制）電路，驅(qū)動(dòng)電路和輸出（負(fù)載）電路三部分組成。固態(tài)繼電器的輸入電路是為輸入控制信號(hào)提供一個(gè)回路，使之成為固態(tài)繼電器的觸發(fā)信號(hào)源。固態(tài)繼電器的輸入電路多為直流輸入，個(gè)別的為交流輸入。直流輸入電路又分為阻性輸入和恒流輸入。阻性輸入電路的輸入控制電流隨輸入電壓呈線(xiàn)性的正向變化。恒流輸入電路，在輸入電壓達(dá)到一定值時(shí)，電流不再隨電壓的升高而明顯增大，這種繼電器可適用于相當(dāng)寬的輸入電壓范圍。固態(tài)繼電器的驅(qū)動(dòng)電路可以包括隔離耦合電路、功能電路和觸發(fā)電路三部分。隔離耦合電路，目前多采用光電耦合器和高頻變壓器兩種電路形式。常用的光電耦合器有光-三極管、光-雙向可控硅、光-二極管陣列（光-伏）等。高頻變壓器耦合，是在一定的輸入電壓下，形成約10MHz的自激振蕩，通過(guò)變壓器磁芯將高頻信號(hào)傳遞到變壓器次級(jí)。功能電路可包括檢波整流、過(guò)零、加速、保護(hù)、顯示等各種功能電路。觸發(fā)電路的作用是給輸出器件提供觸發(fā)信號(hào)。固態(tài)繼電器的輸出電路是在觸發(fā)信號(hào)的控制下，實(shí)現(xiàn)固態(tài)繼電器的通斷切換。輸出電路主要由輸出器件（芯片）和起瞬態(tài)抑制作用的吸收回路組成，有時(shí)還包括反饋電路。3.4.3固態(tài)繼電器特點(diǎn)及用途固態(tài)繼電器是具有隔離功能的無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)，在開(kāi)關(guān)過(guò)程中無(wú)機(jī)械接件，因此固態(tài)繼電器除具有與電磁繼電器一樣的功能外，還具有邏輯電路兼容，耐振耐機(jī)械沖擊，安裝位置無(wú)限制，具有良好的防潮防霉防腐蝕性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也極佳，輸入功率小，靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好，噪聲低和工作頻率高等特點(diǎn)。專(zhuān)用的固態(tài)繼電器可以具有短路保護(hù)，過(guò)載保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)功能，與組合邏輯固化封裝就可以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)需要的智能模塊，直接用于控制系統(tǒng)中。固態(tài)繼電器已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外圍接口設(shè)備、恒溫系統(tǒng)、調(diào)溫、電爐加溫控制、電機(jī)控制、數(shù)控機(jī)械，遙控系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化裝置；信號(hào)燈、調(diào)光、閃爍器、照明舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)；儀器儀表、醫(yī)療器械、復(fù)印機(jī)、自動(dòng)洗衣機(jī)；自動(dòng)消防，保安系統(tǒng)，以及作為電網(wǎng)功率因素補(bǔ)償?shù)碾娏﹄娙莸那袚Q開(kāi)關(guān)等等，另外在化工、煤礦等需防爆、防潮、防腐蝕場(chǎng)合中都有大量使用。3.5RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器實(shí)驗(yàn)裝置采用RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與儀表和控制器的通訊。RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器如圖3.6所示。RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器，它按RS-232規(guī)定的協(xié)議工作。RS-232是規(guī)定連接電纜的機(jī)械、電氣特性、信號(hào)功能及傳送過(guò)程。目前在IBMPC機(jī)上的COM1、COM2接口，就是RS-232C接口。當(dāng)通信距離較近時(shí)，可不需要Modem，通信雙方可以直接連接，這種情況下，只需使用少數(shù)幾根信號(hào)線(xiàn)。最簡(jiǎn)單的情況，在通信中根本不需要RS-232C的控制聯(lián)絡(luò)信號(hào)，只需三根線(xiàn)（發(fā)送線(xiàn)、接收線(xiàn)、信號(hào)地線(xiàn)）便可實(shí)現(xiàn)全雙工異步串行通信。圖3.6RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器3.5.1RS-232RS-232接口符合美國(guó)電子工業(yè)聯(lián)盟（EIA）制定的串行數(shù)據(jù)通信的接口標(biāo)準(zhǔn)，原始編號(hào)全稱(chēng)是EIA-RS-232（簡(jiǎn)稱(chēng)232,RS232）。它被廣泛用于計(jì)算機(jī)串行接口外設(shè)連接。連接電纜和機(jī)械、電氣特性、信號(hào)功能及傳送過(guò)程。RS-232接口如圖3.7所示。RS-232特點(diǎn)：1、接口的信號(hào)內(nèi)容實(shí)際上RS-232-C的25條引線(xiàn)中有許多是很少使用的，在計(jì)算機(jī)與終端通訊中一般只使用3-9條引線(xiàn)。2、接口的電氣特性在RS-232-C中任何一條信號(hào)線(xiàn)的電壓均為負(fù)邏輯關(guān)系。即：邏輯“1”，-5--15V；邏輯“0”+5—+15V。噪聲容限為2V。即要求接收器能識(shí)別低至+3V的信號(hào)作為邏輯“0”，高到-3V的信號(hào)作為邏輯“1”3、接口的物理結(jié)構(gòu)RS-232-C接口連接器一般使用型號(hào)為DB-25的25芯插頭座，通常插頭在DCE端,插座在DTE端.一些設(shè)備與PC機(jī)連接的RS-232-C接口，因?yàn)椴皇褂脤?duì)方的傳送控制信號(hào)，只需三條接口線(xiàn)，即“發(fā)送數(shù)據(jù)”、“接收數(shù)據(jù)”和“信號(hào)地”。所以采用DB-9的9芯插頭座，傳輸線(xiàn)采用屏蔽雙絞線(xiàn)。圖3.7RS-232接口3.5.2RS-485RS485采用差分信號(hào)負(fù)邏輯，-2V--6V表示“0”，+2V~+6V表示"1”。RS485有兩線(xiàn)制和四線(xiàn)制兩種接線(xiàn)，四線(xiàn)制只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，現(xiàn)很少采用，現(xiàn)在多采用的是兩線(xiàn)制接線(xiàn)方式，這種接線(xiàn)方式為總線(xiàn)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在同一總線(xiàn)上最多可以?huà)旖?2個(gè)結(jié)點(diǎn)。在RS485通信網(wǎng)絡(luò)中一般采用的是主從通信方式，即一個(gè)主機(jī)帶多個(gè)從機(jī)。RS485總線(xiàn)拓?fù)鋱D如圖3.8所示。圖3.8RS485總線(xiàn)拓?fù)鋱DRS-485特點(diǎn)如下：1、RS-485的電氣特性：采用差分信號(hào)負(fù)邏輯，邏輯“1”以?xún)删€(xiàn)間的電壓差為+(2?6)V表示；邏輯“0”以?xún)删€(xiàn)間的電壓差為-(2?6)V表示。接口信號(hào)電平比RS-232-C降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。2、RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps。3、RS-485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。4、RS-485最大的通信距離約為1219m，最大傳輸速率為10Mbps,傳輸速率與傳輸距離成反比，在100KbpS的傳輸速率下，才可以達(dá)到最大的通信距離，如果需傳輸更長(zhǎng)的距離，需要加485中繼器。RS-485總線(xiàn)一般最大支持32個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果使用特制的485芯片，可以達(dá)到128個(gè)或者256個(gè)節(jié)點(diǎn)，最大的可以支持到400個(gè)節(jié)點(diǎn)。3.6電烤箱溫度對(duì)象由烤箱改造而成，增設(shè)風(fēng)扇冷卻裝置，加熱由烤箱原加熱部件實(shí)現(xiàn)。被控對(duì)象電烤箱實(shí)物圖如圖3.9所示。圖3.9電烤箱實(shí)物圖第四章人機(jī)界面制作4.1軟件設(shè)計(jì)目標(biāo)軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)要達(dá)到以下功能要求：1、采集溫度變送器的電壓輸出，其范圍為0?5V，即實(shí)現(xiàn)A/D功能；2、輸出控制量Uk,其范圍也為0?5V，即實(shí)現(xiàn)D/A功能；3、設(shè)計(jì)方便清晰的人機(jī)畫(huà)面；4、可以進(jìn)行開(kāi)環(huán)實(shí)驗(yàn)，并繪制加熱爐升溫曲線(xiàn)；5、編程實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波；6、編程實(shí)現(xiàn)采用一般PID控制。（由于我們組是采用的智能儀表，所以我們省去了部分編程過(guò)程）4.2人機(jī)界面制作4.2.1建立新工程1、點(diǎn)擊進(jìn)入組態(tài)王工程管理器圖4.1組態(tài)王工程管理器2、點(diǎn)擊“新建”或在文件菜單中選擇“新建工程”圖4.2新建工程向?qū)е?、點(diǎn)擊“下一步”出現(xiàn)如下窗口，輸入將建立的工程路徑圖4.3新建工程向?qū)е?、點(diǎn)擊“下一步”，輸入所建新工程的名稱(chēng)5、點(diǎn)擊“完成”，并選擇“是”，將新建的工程設(shè)為當(dāng)前工程。雙擊新建的工程，由于未安裝加密狗，所以會(huì)有以下提示，只能在演示方式下進(jìn)入開(kāi)發(fā)環(huán)境，開(kāi)發(fā)環(huán)境連續(xù)使用兩個(gè)小時(shí)后自動(dòng)關(guān)閉，必須重新啟動(dòng)組態(tài)王。按照相應(yīng)的提示操作后，彈出工程瀏覽器窗口、畫(huà)面制作開(kāi)發(fā)系統(tǒng)和組態(tài)王信息窗口，然后就可以進(jìn)行下一步的工作了。4.2.2畫(huà)面的制作1、制作“進(jìn)入系統(tǒng)”畫(huà)面，畫(huà)面內(nèi)容主要包括標(biāo)題、系統(tǒng)簡(jiǎn)要說(shuō)明、系統(tǒng)實(shí)物示意圖和畫(huà)面選擇。選中工程瀏覽器左側(cè)的畫(huà)面，在右側(cè)窗口中雙擊“新建”，出現(xiàn)新畫(huà)面屬性對(duì)話(huà)框。設(shè)置好屬性后，點(diǎn)擊“確定”，利用畫(huà)面開(kāi)發(fā)系統(tǒng)自帶的工具箱、調(diào)色板等工具進(jìn)行畫(huà)面制作。做好的進(jìn)入系統(tǒng)的畫(huà)面。2、制作“實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)畫(huà)面”和“仿真控制系統(tǒng)畫(huà)面”，兩個(gè)畫(huà)面內(nèi)容基本相同，主要包括：標(biāo)題、參數(shù)設(shè)定、主要參數(shù)顯示、控制按鈕和溫度曲線(xiàn)等，其中繪制實(shí)時(shí)溫度曲線(xiàn)是用“溫控曲線(xiàn)”控件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，標(biāo)題上的三角形是用來(lái)做動(dòng)畫(huà)的，運(yùn)行時(shí)不會(huì)影響上面的文字，其他都是用簡(jiǎn)單的元素畫(huà)出來(lái)的。制作完成的“實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)畫(huà)面”，“仿真控制系統(tǒng)畫(huà)面”只是改變了個(gè)別參數(shù)，畫(huà)面命令語(yǔ)言中加入了被控對(duì)象模型，整體構(gòu)成幾乎沒(méi)有變化。4.2.3建立數(shù)據(jù)詞典在工程瀏覽器中單擊數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)詞典，在右邊窗體中雙擊“新建”，可以建立內(nèi)存離散、內(nèi)存整數(shù)、內(nèi)存實(shí)數(shù)、內(nèi)存字符串、I/O離散、I/O整數(shù)、I/O實(shí)數(shù)、I/O字符串和存儲(chǔ)器九種類(lèi)型的變量，每種變量都有各自不同的屬性。變量可以事先建立，也可以在編程或建立動(dòng)畫(huà)過(guò)程中根據(jù)所需隨時(shí)建立。在組態(tài)王中實(shí)現(xiàn)A/D、D/A功能不需要單獨(dú)編程，只要在工程瀏覽器中建立新設(shè)備，找到所用的板卡PCI-1711，并知道使用的通道號(hào)，便可以直接在數(shù)據(jù)詞典里建立I/O變量來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與輸出。建立I/O變量時(shí)需要填寫(xiě)“連接設(shè)備”、“寄存器”和“數(shù)據(jù)類(lèi)型”，這就要求首先在工程管理器的設(shè)備中建立所用的設(shè)備，并知道在硬件系統(tǒng)中所用的I/O通道號(hào)及與其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類(lèi)型。系統(tǒng)中用到兩個(gè)I/O變量，一個(gè)是“控制量”，用來(lái)做DA輸出，其連接設(shè)備是“PCI1711”（事先建立好的設(shè)備邏輯名稱(chēng)），寄存器選用“DA0”，數(shù)據(jù)類(lèi)型為實(shí)型（float），讀寫(xiě)屬性為“讀寫(xiě)”；另一個(gè)是“反饋電壓1”，用來(lái)做AD輸入，其連接設(shè)備也是“PCI1711”，寄存器選用“AD0”，數(shù)據(jù)類(lèi)型為實(shí)型（float），讀寫(xiě)屬性為“只讀”，采集頻率為100毫秒。變量“控制量”的屬性窗口。圖4.4定義變量窗口4.2.4建立動(dòng)畫(huà)連接在建立好的畫(huà)面上雙擊要建立動(dòng)畫(huà)連接的對(duì)象，會(huì)彈出“動(dòng)畫(huà)連接”窗口：可根據(jù)需要選擇要使用的動(dòng)畫(huà)，其中一些動(dòng)畫(huà)可同時(shí)在一個(gè)對(duì)象上實(shí)現(xiàn)，其他的只能選擇一種，例如選擇了水平移動(dòng)，則滑動(dòng)桿輸入變?yōu)椴豢蛇x，而特殊里的閃爍或隱含則可以繼續(xù)選擇。用得最多的是文本對(duì)象的“輸入”、“輸出”和按鈕對(duì)象的“命令語(yǔ)言連接”，例如要運(yùn)行系統(tǒng)需點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕，可選中“彈起時(shí)”，輸入命令語(yǔ)言。圖4.5上位機(jī)人機(jī)界面圖第五章PID控制算法比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小誤差，但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，比例系數(shù)Kp太小不容易達(dá)到給定，Kp過(guò)大，會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定；積分控制的作用是，只要系統(tǒng)存在誤差，積分控制作用就不斷的積累，輸出控制量以消除誤差，因而，只要有足夠的時(shí)間，積分控制將能完全消除誤差，積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；微分控制可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時(shí)加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。對(duì)于爐溫控制來(lái)說(shuō)，由于加熱爐的降溫完全依靠自然散熱，微分控制的作用并不明顯。5.1PID控制器的參數(shù)整定PID控制器的參數(shù)可以在被控對(duì)象模型未知的情況下采用試湊法來(lái)整定，試湊法的步驟為：先比例、再加積分、最后加微分。首先只整定比例部分，由小到大調(diào)節(jié)比例系數(shù)直到系統(tǒng)輸出反應(yīng)較快，超調(diào)較小，穩(wěn)態(tài)誤差達(dá)到允許范圍內(nèi)，即可確定比例系數(shù)；然后加入積分作用，積分系數(shù)應(yīng)由小到大，并將已整定好的比例系數(shù)略微縮小，觀(guān)察系統(tǒng)輸出響應(yīng)，直到動(dòng)態(tài)特性較好，而且完全消除靜差，即可確定積分系數(shù)；最后加入微分作用，微分系數(shù)仍然是由小到大，同時(shí)配合修改比例系數(shù)和積分系數(shù)，以獲得良好的調(diào)節(jié)效果，確定微分系數(shù)。如果獲得被控對(duì)象模型，則可以采用仿真試驗(yàn)來(lái)整定，可以節(jié)約時(shí)間。對(duì)于傳遞函數(shù)可近似為一階慣性加滯后環(huán)節(jié)的被控對(duì)象：K*e-ts..、Wd(s)=t^71式(5.1)f采用典型PID控制器：Wc(s)=Kp*(1+1Tjs+TDs)，可以用Z-N(Zieglor-Nichols)經(jīng)驗(yàn)公式：比例系數(shù)：Kp=1.2*T/tf積分時(shí)間常數(shù)：T=2*t式(5.2)微分時(shí)間常數(shù)：Td=0.5*t進(jìn)行初步整定，然后用試湊法進(jìn)行微調(diào)整定。5.2一般PID控制算法PID控制器的微分方程為：u(t)=Kp*[e(t)+-!-je(t)dt+T*屁(‘)]式(5.3)Tddti在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，使用數(shù)字PID,將上式離散化，寫(xiě)成差分方程：=Kp*e(k)+Kiie(j)+Kd\e(k)一e(k-1)]式(5.4)j=。式中：Ki=Kp*TTr—積分系數(shù)；Kd=Kp*TJT—微分系數(shù)。上式是位置式PID算式，也可以寫(xiě)成增量式，其差分方程：Au(k)=KpL(k)一e(k-1)]+Ki*e(k)+Kdle(k)一2*e(k-1)+e(k一2)]式(5.5)位置型PID控制算式因?yàn)橐奂悠睿?jì)算量大，不僅要占用較多的存儲(chǔ)單元，而且不便于編寫(xiě)程序，計(jì)算機(jī)的任何故障都可能引起u(k)的大幅度變化；增量式算法不需要做累加，控制量增量的確定僅與最近幾次誤差采樣值有關(guān)，計(jì)算誤差或計(jì)算精度問(wèn)題對(duì)控制量的計(jì)算影響較小。這里采用增量式表示的位置式PID，其差分方程為：式(5.6)程序流程圖如圖5.1所示：圖5.1一般PID算法流程圖第六章參數(shù)整定6.1淺談參數(shù)整定進(jìn)行初步整定，然后用試湊法進(jìn)行微調(diào)整定通過(guò)計(jì)算開(kāi)始輸入數(shù)值，先比例，再加積分，最后加微分。觀(guān)察圖形，適當(dāng)調(diào)整改變參數(shù)。并根